Ο «Ψηφιακός Αλχημιστής» αναζητά κανόνες ανάδυσης
Η Sharon Glotzer έχει κάνει μια σειρά από ανακαλύψεις που αλλάζουν την καριέρα, η καθεμία από τις οποίες «αλλάζει εντελώς τον τρόπο που βλέπεις τον κόσμο», είπε, «και σε κάνει να πεις, «Ουάου, πρέπει να το ακολουθήσω».
Ένας θεωρητικός φυσικός μαλακής συμπυκνωμένης ύλης, ο οποίος τώρα διευθύνει μια ακμάζουσα ερευνητική ομάδα 33 ατόμων που εκτείνεται σε τρία τμήματα στο Πανεπιστήμιο του Michigan στο Ann Arbor, ο Glotzer χρησιμοποιεί προσομοιώσεις υπολογιστή για να μελετήσει την ανάδυση - το φαινόμενο όπου τα απλά αντικείμενα προκαλούν εκπληκτικές συλλογικές συμπεριφορές. «Όταν κοπάδια από ψαρόνια κάνουν αυτά τα απίστευτα μοτίβα στον ουρανό που φαίνονται σαν να μην είναι καν αληθινά, ο τρόπος που αλλάζουν συνεχώς – οι άνθρωποι βλέπουν αυτά τα μοτίβα από τότε που οι άνθρωποι ήταν στον πλανήτη», είπε. «Αλλά μόλις πρόσφατα οι επιστήμονες άρχισαν να κάνουν το ερώτημα, πώς το κάνουν αυτό; Πώς επικοινωνούν τα πουλιά έτσι ώστε να φαίνεται ότι όλα ακολουθούν ένα σχέδιο;»
Ο Glotzer αναζητά τις θεμελιώδεις αρχές που διέπουν τον τρόπο με τον οποίο προκύπτουν οι μακροσκοπικές ιδιότητες από τις μικροσκοπικές αλληλεπιδράσεις και ρυθμίσεις. Μια μεγάλη ανακάλυψη έγινε στα τέλη της δεκαετίας του 1990, όταν ήταν νεαρή ερευνήτρια στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας στο Gaithersburg, Maryland. Αυτή και η ομάδα της ανέπτυξαν μερικές από τις πρώτες και καλύτερες προσομοιώσεις σε υπολογιστή υγρών που πλησιάζουν τη μετάβαση σε γυαλί, μια κοινή αλλά μυστηριώδη φάση της ύλης στην οποία τα άτομα είναι κολλημένα στη θέση τους, αλλά δεν κρυσταλλώνονται. Οι προσομοιώσεις αποκάλυψαν σειρές από ταχέως κινούμενα άτομα που γλιστρούν μέσα από το κατά τα άλλα απογοητευμένο υλικό σαν μια γραμμή conga. Παρόμοια μοτίβα ροής παρατηρήθηκαν αργότερα επίσης σε κοκκώδη συστήματα, πλήθη και κυκλοφοριακή συμφόρηση. Τα ευρήματα κατέδειξαν την ικανότητα των προσομοιώσεων να φωτίζουν τα αναδυόμενα φαινόμενα.
Μια πιο πρόσφατη στιγμή «ουάου» συνέβη το 2009, όταν η Glotzer και η ομάδα της στο Μίσιγκαν ανακάλυψαν ότι η εντροπία, μια έννοια που συνήθως συγχέεται με την αταξία, μπορεί πραγματικά να οργανώσει τα πράγματα. Οι προσομοιώσεις τους έδειξαν ότι η εντροπία οδηγεί απλά πυραμιδικά σχήματα που ονομάζονται τετράεδρα να συναρμολογηθούν αυθόρμητα σε έναν οιονεί κρύσταλλο - ένα χωρικό μοτίβο τόσο περίπλοκο που δεν επαναλαμβάνεται ποτέ ακριβώς. Η ανακάλυψη ήταν η πρώτη ένδειξη του ισχυρού, παράδοξου ρόλου που παίζει η εντροπία στην εμφάνιση της πολυπλοκότητας και της τάξης.
Τον τελευταίο καιρό, η Glotzer και η παρέα της έχουν ασχοληθεί με αυτό που αποκαλεί «ψηφιακή αλχημεία». Ας υποθέσουμε ότι ένας επιστήμονας υλικών θέλει να δημιουργήσει μια συγκεκριμένη δομή ή υλικό. Η ομάδα του Glotzer μπορεί να αναστρέψει το σχήμα των μικροσκοπικών δομικών στοιχείων που θα συναρμολογηθούν στην επιθυμητή μορφή. Είναι σαν να χτυπάτε χρυσό από την αρχή — μόνο στη σύγχρονη εποχή, η πολυπόθητη ουσία μπορεί να είναι ένας κολλοειδής κρύσταλλος ή ένα μακρομοριακό συγκρότημα.
Ο Glotzer αναζητά τελικά τους κανόνες που διέπουν την εμφάνιση γενικά:ένα ενιαίο πλαίσιο για την περιγραφή αυτοσυναρμολογούμενων οιονεί κρυστάλλων, κρυσταλλοποιούμενων πρωτεϊνών ή ζωντανών κυττάρων που προκύπτουν αυθόρμητα από απλούς πρόδρομους. Συζήτησε με το Quanta Magazine την πορεία της με το εύρηκα τον Φεβρουάριο; ακολουθεί μια συνοπτική και επεξεργασμένη έκδοση της συνέντευξης.
ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ QUANTA:Μίλησέ μου για το διάσημο σου 2009 Χαρτί της φύσης που συνέδεε την αυτοσυναρμολόγηση με την εντροπία.
SHARON GLOTZER:Φανταστείτε να είχατε μπάλες του μπέιζμπολ σε μια πισίνα με νερό και φανταστείτε ότι είχαν ακριβώς την ίδια πυκνότητα με την πισίνα, έτσι δεν βυθίστηκαν, δεν επέπλεαν, απλώς ήταν κρεμασμένες, τρυπώντας. Μετά προσπαθείς να τους περιορίσεις όλους μαζί. Η αυτοσυναρμολόγηση είναι αυτό που συμβαίνει όταν οι μπάλες του μπέιζμπολ οργανώνονται αυθόρμητα σε ένα αναγνωρίσιμο μοτίβο. Και αν τα σωματίδια είναι τέλεια σκληρά και δεν έχουν άλλες αλληλεπιδράσεις, θα οργανωθούν ώστε να έχουν την υψηλότερη δυνατή εντροπία.
Μελετούσαμε λοιπόν αυτά τα τετράεδρα, και είναι το απλούστερο πλατωνικό στερεό — το απλούστερο τρισδιάστατο σχήμα, σωστά; Αυτά τα Dungeons &Dragons ζάρια. Είχα την εντύπωση ότι θα ήταν ενδιαφέρον να δούμε πώς τους αρέσει να τακτοποιούνται μεταξύ τους βασιζόμενοι αποκλειστικά στην εντροπία, που σημαίνει ότι δεν είχαν άμεσες αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους — δεν ήθελαν να μείνουν μαζί. δεν υπάρχουν χρεώσεις. δεν υπάρχει τίποτα? υπάρχει απλώς εντροπία. Αλλά δεν είχα ιδέα πόσο ενδιαφέρον. Δεν είχα ιδέα ότι θα σχημάτιζαν το είδος των δομών που έκαναν.
Δείξατε ότι τα τετράεδρα οργανώνονται σε έναν οιονεί κρύσταλλο — αυτή την πραγματικά πολύπλοκη, διατεταγμένη δομή. Οι άνθρωποι συνήθως κατανοούν τον νόμο της αυξανόμενης εντροπίας ως την τάση των πραγμάτων να γίνονται πιο ακατάστατα, αλλά λέτε ότι η εντροπία οδηγεί στην τάξη. Γιατί αυτό δεν είναι παράδοξο;
Έχεις απόλυτο δίκιο ότι είναι εντελώς αντίθετο. Συνήθως πιστεύουμε ότι εντροπία σημαίνει αταξία, και έτσι μια διαταραγμένη δομή θα είχε περισσότερη εντροπία από μια διατεταγμένη δομή. Αυτό μπορεί να ισχύει υπό ορισμένες συνθήκες, αλλά δεν είναι πάντα αλήθεια, και σε αυτές τις περιπτώσεις, δεν είναι. Προτιμώ να σκέφτομαι την εντροπία ως σχετική με τις επιλογές:Όσο περισσότερες επιλογές έχει ένα σύστημα σωματιδίων να τακτοποιήσει μόνο του, τόσο μεγαλύτερη είναι η εντροπία. Σε ορισμένες περιπτώσεις, είναι δυνατό για ένα σύστημα να έχει περισσότερες επιλογές — περισσότερες πιθανές διευθετήσεις — των δομικών στοιχείων του, εάν το σύστημα παραγγελθεί.
Αυτό που συμβαίνει είναι ότι τα σωματίδια προσπαθούν να μεγιστοποιήσουν τον χώρο στον οποίο πρέπει να κουνιούνται. Εάν μπορείτε να κουνιθείτε, μπορείτε να αναδιατάξετε τη θέση και τον προσανατολισμό σας. Όσο περισσότερες θέσεις, τόσο περισσότερες επιλογές, και επομένως τόσο περισσότερη εντροπία. Φαντάζεστε λοιπόν αυτές τις μπάλες του μπέιζμπολ στο νερό. Κυκλοφορούν — μεταφράζουν, περιστρέφονται. Τρελαίνονται, λόγω της θερμικής κίνησης των μορίων του νερού. Και αυτό που θέλουν να κάνουν αυτά τα συστήματα είναι να χωρέσουν αρκετά τα σωματίδια έτσι ώστε να μεγιστοποιηθεί ο διαθέσιμος χώρος ταλάντωσης σε όλα τα σωματίδια. Ανάλογα με το σχήμα των σωματιδίων, αυτό μπορεί να οδηγήσει σε εξαιρετικά περίπλοκες ρυθμίσεις.
Έτσι σωματίδια όπως τα τετράεδρα και οι μπάλες του μπέιζμπολ εξελίσσονται σε καταστάσεις που τους επιτρέπουν να κινούνται με περισσότερους τρόπους και επομένως έχουν υψηλότερη εντροπία. Γνώριζαν οι άνθρωποι νωρίτερα ότι θα μπορούσατε να λάβετε παραγγελία από την εντροπία;
Είναι γνωστό ότι η εντροπία από μόνη της μπορεί να προκαλέσει την ευθυγράμμιση των αιμοπεταλίων και των ραβδόμορφων σωματιδίων και των σφαιρικών σωματιδίων, αλλά αυτές οι διατεταγμένες φάσεις ήταν αρκετά απλές. Δεν θεωρήθηκε πραγματικά ως μια τόσο σημαντική κινητήρια δύναμη για την οργάνωση. Όταν κάναμε αυτό το πείραμα υπολογιστή τετραέδρων και βγάλαμε αυτό που εξακολουθεί να είναι σήμερα η πιο περίπλοκη εντροπικά σταθεροποιημένη δομή που έχει δει κανείς ποτέ, αυτό άλλαξε πραγματικά τον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι έβλεπαν αυτό το θέμα.
Έτσι, τότε η ομάδα μου άρχισε να μελετά κάθε σχήμα κάτω από τον ήλιο. Μόλις αρχίσαμε να ρίχνουμε όλα τα είδη κυρτών σχημάτων στον υπολογιστή και συνεχίσαμε να παίρνουμε μια κρυσταλλική δομή μετά την άλλη, μερικά που ήταν πολύ περίπλοκα. Το 2012 δημοσιεύσαμε μια εργασία στο Science όπου μελετήσαμε 145 διαφορετικά σχήματα και δείξαμε ότι 101 από αυτά αυτοσυναρμολογούνται σε κάποιο είδος περίπλοκου κρυστάλλου. Από τότε, η ομάδα μου έχει κάνει δεκάδες χιλιάδες διαφορετικά σχήματα. Δημοσιεύσαμε μια εργασία με 50.000 σχήματα.
Ποια είναι μερικά από τα πράγματα που ανακαλύπτετε;
Τα είδη των ερωτήσεων που αναζητώ τώρα είναι:Υπάρχει ολόκληρη αυτή η βάση δεδομένων με όλες τις κρυσταλλικές δομές που είναι γνωστές. Και όλες αυτές οι «διαστημικές ομάδες», που σημαίνει δομές που μπορούν να υπακούουν σε όλες αυτές τις διαφορετικές πράξεις συμμετρίας [περιστροφές και μεταφράσεις που αφήνουν τις δομές αμετάβλητες]. Υπάρχουν μερικές εκατοντάδες από αυτά. Μπορώ να πάρω κάθε ένα από αυτά μόνο με εντροπία; Με κολλοειδή σωματίδια [όπως αυτά που βρίσκετε στα πηκτώματα], ακόμη και χωρίς αλληλεπιδράσεις, έχουμε ήδη καταφέρει να λάβουμε έως και 50 από τις γνωστές διαστημικές ομάδες. Υπάρχουν κάποια που δεν είναι δυνατά μόνο με την εντροπία; Και αν ναι, γιατί; Αρχίσαμε επίσης να εξετάζουμε μείγματα σχημάτων. Δεν έχουμε καν μιλήσει για περίπλοκα τρελά σχήματα και κοίλα σχήματα. Λοιπόν, πόσο μακριά μπορείτε να φτάσετε μόνο με την εντροπία; Και τι σημαίνει ότι μπορώ να σχηματίσω την ίδια δομή με ένα σωρό διαφορετικούς τρόπους; Υπάρχει κάτι πολύ πιο θεμελιώδες για να κατανοήσουμε σχετικά με την οργάνωση της ύλης, και εστιάζοντας στο σχήμα και την εντροπία, φτάνουμε στον πυρήνα αυτού.
Ένα από τα πράγματα που έχουμε παρατηρήσει είναι ότι υπάρχουν ορισμένοι κανόνες σχεδιασμού. Για παράδειγμα, όταν τα πολύεδρά σας έχουν μεγάλες, επίπεδες όψεις, θέλουν να ευθυγραμμιστούν έτσι ώστε οι όψεις τους να είναι η μία απέναντι από την άλλη — επειδή αυτό δίνει περισσότερο χώρο ταλάντωσης, περισσότερους τρόπους διάταξης των σωματιδίων. Αλλά αν έχετε πολλές πτυχές που έχουν όλες διαφορετικό μέγεθος, τότε είναι πιο δύσκολο να προβλέψετε. Μπορεί να καταλήξετε με ένα γυάλινο σύστημα ή ένα μπλοκαρισμένο σύστημα αντί για μια διατεταγμένη δομή.
Τα τελευταία δύο χρόνια, αρχίσατε να εργάζεστε προς τα πίσω.
Βασικά κάνουμε αλχημεία στον υπολογιστή. Οι αρχαίοι αλχημιστές ήθελαν να μεταμορφώσουν τα στοιχεία και να μετατρέψουν τον μόλυβδο σε χρυσό. Αλλά φανταστείτε ότι είχατε μια συγκεκριμένη δομή και θέλατε να μάθετε ποιο σχήμα είναι το καλύτερο σχήμα για να αποκτήσετε τη δομή. Αυτό κάνουν πολλοί επιστήμονες υλικών τώρα - προσπαθώντας να ανατρέψουν το πρόβλημα. Αυτή η προσέγγιση «αντίστροφου σχεδιασμού» είναι διαφορετική από τον τρόπο με τον οποίο μπορείτε να ελέγξετε για ενώσεις, για παράδειγμα, ή να βρείτε κρυστάλλους πρωτεΐνης. Σε αυτήν την περίπτωση, κάνετε προσομοίωση μετά από προσομοίωση μετά από προσομοίωση, όπου απλώς τρέχετε με τόνους διαφορετικών μορίων και λέτε:Ποιο μου δίνει αυτό που θέλω;
Ο αντίστροφος σχεδιασμός είναι πιο στρατηγικός. Ξεκινάμε με μια δομή στόχο και χρησιμοποιούμε στατιστική θερμοδυναμική για να βρούμε το σωματίδιο που λύνει το πρόβλημα σχεδιασμού. Αυτό που κάναμε είναι ότι επεκτείναμε τον τρόπο με τον οποίο συνήθως γίνονται αυτά τα είδη προσομοιώσεων για να συμπεριλάβουν το σχήμα ως μεταβλητή. Μπορούμε τώρα να κάνουμε μια ενιαία προσομοίωση όπου αφήνουμε το σχήμα των δομικών στοιχείων να αλλάζει αμέσως στην προσομοίωση και αφήνουμε το σύστημα να μας πει ποιο είναι το καλύτερο. Έτσι, αντί να εκτελώ χιλιάδες προσομοιώσεις, μπορώ να εκτελέσω μία και να μου πει το σύστημα:Ποιο είναι το καλύτερο δομικό στοιχείο για την επιθυμητή δομή; Οπότε το ονομάζω ψηφιακή αλχημεία.
Έχετε σκεφτεί επίσης πώς Η εντροπία μπορεί να έπαιξε ρόλο στην προέλευση της ζωής .
Οι περισσότεροι επιστήμονες πιστεύουν ότι για να έχεις τάξη χρειάζεσαι χημικούς δεσμούς — χρειάζεσαι αλληλεπιδράσεις. Και δείξαμε ότι δεν το κάνετε. Μπορείτε απλώς να έχετε αντικείμενα που, αν απλώς τα περιορίσετε αρκετά, μπορούν να αυτοοργανωθούν. Έτσι, αν πάτε στην ερώτηση:Ποια ήταν η πρώτη αυτοοργάνωση πραγμάτων και πώς συνέβη; Θα μπορούσατε να φανταστείτε ότι είχατε αυτές τις μικροσκοπικές μικροσκοπικές ρωγμές σε βράχους με νερό, και υπήρχαν μόρια εκεί μέσα, που μπορούσαν να αυτοοργανωθούν μόνο λόγω της εντροπίας για ακριβώς τους λόγους που μόλις περιέγραψα. Επομένως, είναι ένας εντελώς διαφορετικός τρόπος να σκεφτόμαστε τη ζωή και την αυξανόμενη πολυπλοκότητα. Είναι συμβατά μεταξύ τους, αλλά αυτό απλώς λέει:Ξέρω επειδή το έχω κάνει αυτό, ότι μπορώ να πάρω ένα σωρό αντικείμενα και να τα βάλω σε μια μικρή σταγόνα και να συρρικνώσω λίγο τη σταγόνα, και αυτά τα αντικείμενα θα αυθόρμητα οργανώνω. Επομένως, ίσως αυτό το φαινόμενο είναι σημαντικό για την προέλευση της ζωής και δεν νομίζω ότι έχει ληφθεί υπόψη.
Πότε γοητευτήκατε για πρώτη φορά με την ανάδυση;
Όταν πήγα στο μεταπτυχιακό στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης, μπήκα σε ένα πειραματικό εργαστήριο. Πέρασα όλο το χρόνο σχεδιάζοντας βασικά μια φλάντζα για ένα θάλαμο εκτόξευσης. Δεν εμπνεύστηκα. Μου αρέσουν τα παζλ, μου αρέσουν οι υπολογιστές, μου αρέσουν τα μαθηματικά. Μια μέρα η αντλία κενού ανατινάχθηκε πάνω μου και ήμουν καλυμμένος με λάδι αντλίας. Και βγήκα βγαίνοντας από το εργαστήριο και ένας καθηγητής, ο Τζιν Στάνλεϊ, με είδε και είπε:«Μοιάζεις με θεωρητικό. έλα να μου μιλήσεις." Μέχρι το τέλος της ημέρας είχα αλλάξει και μπήκα στην ομάδα του και ήταν μια από τις πιο σημαντικές αποφάσεις που πήρα ποτέ. Με τον Stanley, μελετούσα την κινητική των μιγμάτων πολυμερών διαχωρισμού φάσης. Κοίταζα, για παράδειγμα, τι συμβαίνει εάν τα πολυμερή είναι κολλημένα μεταξύ τους ή συνδέονται. Τι είδους δομές θα μπορούσατε να αποκτήσετε όταν υπάρχουν ανταγωνιστικές κινητήριες δυνάμεις - μια που θέλει τα πολυμερή να διαχωριστούν και μια που θέλει να αναμειχθούν; Ποια αναδυόμενα φαινόμενα προέρχονται από αυτό; Τότε δεν χρησιμοποιούσα αυτή τη γλώσσα για να το περιγράψω, αλλά τότε ήταν που κατάλαβα ότι μου αρέσει αυτή η ιδέα της απρόβλεπτης αναδυόμενης πολυπλοκότητας που προκύπτει από απλά πράγματα.
Επιβλέπετε (επιτέλους) 27 μεταπτυχιακούς φοιτητές, μισή ντουζίνα μεταδιδακτορικούς και βοηθητικό προσωπικό. Αυτό είναι μάλλον πολύ.
Ξεκίνησα με δύο. Τότε είχα τέσσερα. Με τον καιρό γινόταν όλο και μεγαλύτερο γιατί, λοιπόν, μου αρέσει να δουλεύω με μαθητές! Όταν ένας μαθητής έρχεται σε μένα και είναι τόσο ενθουσιασμένος που θα μπει στην ομάδα, έχει διαβάσει τις εργασίες μας και πιστεύει ότι είναι υπέροχο, και υπάρχει κάτι σε αυτόν που καθιστά προφανές ότι πρέπει να είναι στην ομάδα — είναι σπασίκλες όπως εμείς — Δυσκολεύομαι πολύ να πω όχι, και έτσι προσπαθώ να βρω έναν τρόπο να τους υποστηρίξω.
Μόλις ξεπεράσετε ένα ορισμένο μέγεθος, η ομάδα σας αναπτύσσει φυσικά μια δομή και γίνεται σχεδόν αυτοσυντηρούμενη καθώς έρχονται νέοι άνθρωποι στην ομάδα και οι πιο τελειόφοιτοι τους παίρνουν υπό την προστασία τους. Οι μεταδιδακτορικοί εργάζονται με μεταπτυχιακούς φοιτητές και καταλήγετε να έχετε ομάδες. Και απλά το λατρεύω γιατί συνεχώς, νέα πράγματα βγαίνουν. είναι απλά μαγικό.
Είναι αυτό ανάδυση;
Αυτή είναι η ανάδυση! Είναι ανάδυση! Όταν η ομάδα γίνεται αρκετά μεγάλη ξαφνικά, και έχετε τον κατάλληλο συνδυασμό ανθρώπων, είναι εκπληκτικές μερικές από τις οδηγίες που βγαίνουν που δεν θα περίμενα ποτέ πριν.
Σημείωση του συντάκτη:Ο Glotzer ονομάστηκε ερευνητής Simons το 2012.
